海上风电恒电位仪湿度智能调控系统研发

一、引言

1.1研究背景与意义

全球海上风电装机容量已从 2010 年的 10GW 增至 2024 年的 110GW，年均复合增长率达 20.3%，中国作为最大市场占比超 45%。然而，海上风电设备的运维成本占全生命周期成本的 35%～40%，其中恒电位仪故障占比达 27%，主要诱因是高湿环境导致的电气失效。某海上风电场运维数据显示，在台风季（湿度≥90%）控制柜故障率较干燥季节升高 3.2 倍，单次故障修复耗时平均 8.5 小时，直接经济损失超 12 万元 / 台。

阴极保护系统作为防止风电基础钢结构腐蚀的核心装置，其控制柜需在盐雾浓度 20～50mg/m³、相对湿度 60%～100% 的极端环境中稳定运行。传统湿度控制方式因响应滞后（典型滞后时间 15～30 分钟）和控制精度不足（±10% RH），难以满足 IEC 60721-3-3 标准中对海洋环境电气设备的可靠性要求（平均无故障时间≥10，000 小时）。因此，研发具有高湿环境自适应能力的智能调控系统，对提升海上风电设备可靠性、降低运维成本具有重要工程价值。

1.2研究目标与核心技术

本研究旨在突破三项核心技术，即构建湿度、温度、盐雾浓度多参数耦合模型以实现环境状态精准预判（预测误差≤5%），开发烘干加热与换气动态联动算法使除湿能耗降低40%以上且响应时间缩短至5分钟以内，建立“环境预评估-分级除湿-安全上电”闭环控制机制将高湿环境上电故障率降至0.1‰以下，最终形成具备自主知识产权的智能调控系统，通过中国船级社海洋环境设备认证，满足海上风电场25年使用寿命要求。

二、海上风电恒电位仪高湿环境适应性分析

2.1海洋环境对控制柜的侵蚀机理

2.1.1湿度耦合盐雾的电化学腐蚀

海洋大气中氯离子通过扩散作用渗透至控制柜内部，在金属表面形成电化学反应池：阳极发生 Fe→Fe²⁺+2e⁻的氧化反应，阴极发生 O₂+2H₂O+4e⁻→4OH⁻的还原反应。当相对湿度超过 85% 时，金属表面水膜厚度≥10μm，使腐蚀电流密度从 0.5μA/cm² 增至 5μA/cm²（依据 ASTM B117 盐雾测试数据）。铜质接线端子在该环境下的腐蚀速率可达 0.02mm / 年，导致接触电阻每半年增加 10mΩ，严重时引发信号传输中断。

采用扫描电镜（SEM）观察发现，经过 1000 小时盐雾试验后，未防护的铜端子表面出现直径 5～10μm 的腐蚀坑，而镀镍处理的端子腐蚀坑深度仅为 1～2μm。这表明材料防护虽能缓解腐蚀，但无法完全消除高湿度环境的影响。

2.1.2凝露引发的绝缘失效风险

基于 Clausius-Clapeyron 方程计算，海上昼夜温差 15℃时，控制柜内部露点温度波动范围为 10～30℃。当柜体材料（冷轧钢板，导热系数 45W/（m·K））内外壁温差≥8℃时，内壁会产生凝露（水膜厚度 5～20μm）。实验表明，PCB 板表面凝露可使相邻焊点间绝缘电阻从 500MΩ 骤降至 0.5MΩ（依据 GB/T 4797.5-2017 测试标准），当绝缘电阻低于 1MΩ 时，将触发接地故障保护装置动作，导致阴极保护系统停运。

对某风电场故障控制柜的拆解分析显示，83% 的绝缘故障集中在继电器触点和端子排区域，这些部位因结构复杂易形成气流死角，凝露停留时间比其他区域长 2～3 倍。

2.2现有控制技术的局限性

进一步分析显示，传统系统的控制延迟主要源于：①传感器采样频率低（1 次 / 分钟）；②控制算法未考虑热惯性（加热系统时间常数≥10 分钟）；③未建立环境参数与设备状态的映射关系。通过对 10 种主流控制柜的测试，发现其湿度控制的平均超调量达 15%，恢复时间超过 25 分钟，远不能满足快速响应需求。

三、基于烘干加热 - 换气联动的预热除湿控制策略

3.1多传感器融合的环境监测架构

3.1.1三维参数实时采集系统

传感器布局采用 “三角验证法”：当任意两点湿度偏差＞5% 时，启动冗余校验程序，剔除异常数据（基于 3σ 准则）。数据通过隔离型 RS485 总线传输，通信周期 100ms，确保实时性与抗干扰性（共模抑制比≥120dB）。

选型对比实验表明，SHT35 在 90%～100% RH 高湿区间的测量误差（±1.5% RH）显著优于传统 SHT11（±3% RH），尤其在凝露状态下稳定性提升 40%。

o柜体顶部中央部署 SHT35 温湿度传感器（I²C 接口，采样率 10Hz），监测整体环境；

o底部角落安装 3 个 AM2320 传感器（防凝露设计），捕捉局部低温高湿区域；

o侧壁嵌入 DPT100 露点变送器（精度 ±0.2℃），同步输出温度（-40～85℃）与露点值；

o进气口设置 MQ-138 气体传感器阵列，检测 Cl⁻（0.01～1mg/m³）、SO₂等腐蚀性气体浓度。

3.1.2动态阈值自适应算法

基于模糊控制理论设计三维决策矩阵输入量为：

输出量为加热功率 P（0～1000W）和换气扇转速 V（0～2000rpm），控制规则示例：  IF e≥20% AND ΔTd≤2℃ AND C≥0.5mg/m³

THEN P=800W AND V=1800rpm（强烘干+高速换气）

算法通过粒子群优化（PSO）动态更新隶属度函数参数，使控制误差收敛至 ±2% RH 以内（迭代次数≤50 次）。仿真结果显示，该算法的响应速度比 PID 控制快 3 倍，在湿度突变时超调量控制在 5% 以内。

o湿度偏差 e=H-H₀（H₀为目标湿度 70% RH）

o露点差 ΔTd=T-Td

o盐雾浓度 C（mg/m³）

3.2烘干加热与换气的协同控制逻辑

3.2.1分层式加热模块设计

热仿真分析（ANSYS Fluent）显示，该布局可使柜体内部温度场均匀性提升至 90%（温差≤5℃），较传统顶部单加热方案节能 28%。实际测试中，分层加热使各区域湿度偏差控制在 3% 以内，解决了传统加热的局部过热问题。

主加热单元：2 条 800mm 长镍铬合金加热带（Cr20Ni80，耐温 600℃），分别贴附于左右侧板，采用 PWM 控制（占空比 0～100%），功率密度可从 1W/cm² 线性调节至 3W/cm²；

辅助加热单元：在继电器模组上方安装 2 个 50W PTC 加热器（居里点 120℃），通过微通道铝制散热片形成局部热屏障，使元件表面温度始终高于露点 3℃以上。

3.2.2智能换气策略优化

开发 “海流预测 - 压差反馈” 双环控制：

换气口采用迷宫式结构设计，内置 3 层防护：①不锈钢滤网（孔径 0.5mm）拦截盐雾颗粒；②蒙脱石干燥剂层（吸湿量≥20g/100g）；③单向硅胶瓣膜（开启压力 5Pa）防止倒灌。实验数据表明，该设计可使盐雾侵入量降低 92%，干燥剂更换周期延长至 6 个月以上。

外环：通过 SCADA 系统获取未来 1 小时海流预报（风速 0～20m/s），建立换气频率基准值 f₀=0.1×v（v 为风速）；

内环：基于进气口与出气口的 MPX5700 压差传感器（±1kPa），实时修正频率 f=f₀+0.5×ΔP（ΔP 为实测压差）。

四、电路安全启动机制与自动上电逻辑设计

4.1上电前的环境安全预评估

建立 “5-3-2” 安全矩阵，所有条件需持续满足 3 分钟（防瞬时干扰），任一不达标则触发 “否决 - 重试” 机制，间隔 5 分钟重新评估。通过对 100 组故障数据的分析，该矩阵可覆盖 99.2% 的潜在风险点。

5 项环境指标：湿度≤75%、露点差≥5℃、盐雾浓度≤0.3mg/m³、温度≤40℃、气压波动≤5kPa；

3 项设备参数：绝缘电阻≥500MΩ（摇表测试）、电容漏电流≤10μA、继电器触点电阻≤50mΩ；

2 项历史记录：近 24 小时无凝露报警、除湿系统自检正常。

4.2渐进式预上电流程

采用 STM32H743 微控制器实现时序控制：

实测数据显示，该流程使上电失败率从传统方式的 2.3% 降至 0.02%，平均启动时间控制在 22 分钟以内。

0～5min：仅接通 3.3V 传感器回路，执行 “干燥度诊断”，通过阻抗谱分析（100Hz～1MHz）评估 PCB 板表面水膜状态；

5～15min：启动 “靶向除湿”，对湿度超标的继电器腔室（独立风道）定向加热，功率按 PID 算法调节：P=Kp×e+Ki∫e dt+Kd×de/dt（Kp=20，Ki=0.5，Kd=10）；

15～20min：执行 “耐压测试”，施加 1.5 倍额定电压（380V×1.5=570V）持续 1 分钟，监测漏电流＜5mA；

20min 后：分 3 路延时上电（主回路 500ms、控制回路 1000ms、通信回路 1500ms），每步均通过 DS2438 电量监测芯片验证电压稳定性。

4.3上电后动态防护与故障容错

4.3.1运行态湿度补偿模型

建立 “负荷 - 湿度” 协同方程：当恒电位仪输出电流 I＞15A 时，自动切换至 “强换气模式”，此时湿度阈值临时下调至 65%，换气优先级提升 30%。通过红外热像仪（FLIR C2）监测发现，该措施可使 IGBT 模块工作温度降低 8℃，避免热失控。

对不同负荷下的湿度变化曲线分析表明，负荷每增加 5A，柜内湿度上升速率提高约 0.8% RH / 分钟，因此动态调整阈值可有效抵消负荷带来的湿度波动。

4.3.2三重冗余保护机制

典型故障处理流程：当检测到湿度骤升＞10%/min（疑似柜门未关），立即切断主电路，启动应急加热（最大功率）并发出声光报警，同时推送短信至运维人员。实际测试中，该机制的故障响应时间＜200ms，可有效防止事故扩大。

硬件：采用 2 路独立电源（220VAC/24VDC），互为热备份（切换时间＜10ms）；

软件：植入 “看门狗” 定时器（喂狗周期 100ms），程序跑飞时自动复位；

通信：采用 Modbus TCP/IP 与 LoRa 双链路，确保故障信息（含时间戳、参数快照）可靠上传至运维平台。

五、系统实现与实验验证

5.1硬件平台与软件开发

5.1.1核心硬件配置

硬件选型经过 3 轮对比测试，在高低温箱（-40～70℃）中连续运行 500 小时，研华控制器的故障率仅为其他品牌的 1/5，尤其在抗振动性能（10～2000Hz）上表现优异。

5.1.2软件架构

基于 FreeRTOS 实时操作系统，任务调度优先级：

人机界面采用 LabVIEW 开发，实时显示湿度曲线、设备状态及故障代码，支持远程参数配置（通过 4G DTU 模块）。软件经过 1000 小时稳定性测试，无死机或数据丢失现象，通信中断自动重连时间＜3 秒。

最高级：安全联锁（1ms 周期）

次级：传感器采集（10ms）

常规级：算法运算（100ms）

最低级：数据上传（1s）

5.2模拟海洋环境测试

在青岛海洋环境腐蚀试验站的步入式盐雾箱（容积 10m³）中进行验证，测试条件：

温度：35℃±2℃（模拟夏季）、15℃±2℃（模拟春秋）

湿度：85%～98% RH（阶梯式变化）

盐雾浓度：5% NaCl 溶液，连续喷雾

5.2.1除湿效率测试

初始状态：湿度 95% RH，露点 33℃，启动系统后：

不同初始湿度下的除湿时间对比显示，系统在高湿度区间（＞90% RH）的优势更明显，平均提速达 40% 以上。

5min 时湿度降至 88%（露点差提升至 4℃）

20min 时湿度降至 75%（达到上电条件）

45min 时稳定在 68% RH，较传统系统（65min）提速 31%

5.2.2能耗对比实验

连续 24 小时运行测试显示：

能耗分布分析表明，智能联动算法使加热模块的无效工作时间减少 62%，换气扇的启停次数降低至传统方式的 1/3。

本系统日均能耗 12.3kWh，传统系统 27.5kWh，节能 55.3%

强模式（＞90% RH）占比仅 15%，传统系统达 40%

5.2.3安全启动验证

进行 1000 次循环上电测试，其中 800 次在高湿环境（85% RH）启动：

典型测试曲线如图 3 所示，系统在湿度波动时仍能保持稳定控制（超调量＜5%），满足设计要求。

成功启动 998 次，2 次因传感器故障触发保护（属设计预期）

无任何绝缘故障或元件损坏，平均启动时间 22min

六、结论

提出“湿度-露点-盐雾”三维耦合控制方法，解决传统单参数控制滞后问题，使除湿响应时间缩短至5分钟；开发分层加热与智能换气联动系统，在能耗降低55%的同时，将盐雾侵入量控制在0.05mg/m³以下；建立渐进式安全上电机制，经1000次测试验证，高湿环境启动成功率达99.8%，满足海上风电高可靠性要求。

参考文献：

[1]王剑彬，张建军，吴叙锐，等.海上风电散热器结构设计、腐蚀失效及防腐研究[J].河南大学学报（自然科学版），2024，54（01）：81-87.DOI：10.15991/j.cnki.411100.2024.01.003.

[2]赵雄，岳晓晴，马璐，等.海上风电腐蚀防护技术及应用研究进展[J].装备环境工程，2024，21（10）：110-117.